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        冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進設(shè)計

        2014-12-03 06:29:06夏煥文買靖東匡晉安于艷秋
        車輛與動力技術(shù) 2014年1期
        關(guān)鍵詞:花鍵軸渦街靜子

        夏煥文,劉 焱,買靖東,匡晉安,于艷秋

        (中國北方車輛研究所,北京 100072)

        冷卻風(fēng)扇是車輛散熱系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件,其高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的壓力能,通過熱交換器帶走整車熱量,維持車輛的熱平衡,保證車輛正常工作.而冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)又直接影響冷卻風(fēng)扇性能及可靠性,一旦因結(jié)構(gòu)原因?qū)е吕鋮s風(fēng)扇性能異常、故障或失效,將使車輛停止工作,或損壞相關(guān)聯(lián)部件乃至損壞發(fā)動機.因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須十分慎重,確保冷卻風(fēng)扇性能及可靠性符合使用要求.

        1 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)及工作原理

        1.1 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)

        冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子、馬達、連接盤、壓板、螺栓等主要元件組成,其原始結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示.

        圖1 冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu)

        冷卻風(fēng)扇改進結(jié)構(gòu)主要由風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子、馬達、連接盤、套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等主要元件組成,其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示.

        圖2 冷卻風(fēng)扇改進后的結(jié)構(gòu)

        1.2 工作原理

        冷卻風(fēng)扇原始結(jié)構(gòu) (圖1)工作原理是:固定在風(fēng)扇靜子上的馬達工作時,其花鍵軸旋轉(zhuǎn)帶動通過壓板、螺栓固定在馬達花鍵軸上的連接盤旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的連接盤與風(fēng)扇葉輪固定而帶動風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn),冷卻風(fēng)扇工作.工作時,高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過連接盤直接作用在馬達花鍵軸上,亦即馬達上,再通過馬達傳遞到風(fēng)扇靜子上,最終作用在車輛上.

        冷卻風(fēng)扇改進后的結(jié)構(gòu) (圖2)工作原理是:固定在風(fēng)扇靜子上的馬達工作時,其花鍵軸旋轉(zhuǎn)帶動套軸旋轉(zhuǎn),套軸通過平鍵與連接盤固定使連接盤旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)的連接盤與風(fēng)扇葉輪固定而帶動風(fēng)扇葉輪旋轉(zhuǎn),同時,旋轉(zhuǎn)的套軸通過軸承支撐在風(fēng)扇靜子上,通過馬達回油經(jīng)潤滑油管供油給軸承潤滑,冷卻風(fēng)扇工作.工作時,高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過連接盤、平鍵直接作用在套軸上,再通過套軸上的軸承傳遞到風(fēng)扇靜子上,最終作用在車輛上,此時馬達僅承受風(fēng)扇葉輪的純扭矩作用.

        2 冷卻風(fēng)扇失效分析及其結(jié)構(gòu)改進

        2.1 冷卻風(fēng)扇的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計

        冷卻風(fēng)扇的原始結(jié)構(gòu)設(shè)計 (圖1)是依據(jù)冷卻風(fēng)扇參數(shù)及馬達樣本[1]相關(guān)參數(shù)計算、校核設(shè)計而成,臺架性能試驗滿足設(shè)計要求.樣車使用時,發(fā)現(xiàn)冷卻風(fēng)扇失效,外部特征表現(xiàn)為風(fēng)扇葉輪、風(fēng)扇靜子碎,風(fēng)扇靜子的支撐筋斷,馬達軸斷,見圖3、圖4,可靠性不能滿足實車使用要求.

        圖3 冷卻風(fēng)扇失效圖

        圖4 馬達失效圖

        2.2 冷卻風(fēng)扇失效分析

        經(jīng)過分解失效冷卻風(fēng)扇,并對其失效零部件進行分析、計算、校核、檢測、試驗,得出:

        1)風(fēng)扇靜子的支撐筋與葉片之間的距離小、支撐筋的截面形狀不合理.冷卻風(fēng)扇工作時,氣體流動經(jīng)過支撐筋,其后產(chǎn)生卡門渦街,卡門渦街的強度與支撐筋的截面形狀直接相關(guān),現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了較強的卡門渦街;卡門渦街對高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生附加外力,該附加外力的大小又和支撐筋與葉片間的距離直接相關(guān),由于距離過小,產(chǎn)生了較大的附加外力.

        2)風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子集成后,風(fēng)扇葉輪本身的固有頻率對應(yīng)的耦合轉(zhuǎn)速在風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),在氣動力和卡門渦街產(chǎn)生的作用力共同激勵下,風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子產(chǎn)生了共振.

        3)高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪產(chǎn)生的合力通過連接盤直接作用在馬達的花鍵軸上,該力已到馬達承力極限邊緣.

        2.3 冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)改進

        依據(jù)冷卻風(fēng)扇失效分析結(jié)果,對相關(guān)零部件進行了理論計算、校核,作了如下結(jié)構(gòu)改進:

        1)將風(fēng)扇靜子支撐筋的截面形狀由原來的近似橢圓形 (圖5)改成類似機翼形 (圖6).

        圖5 原支撐筋截面形狀

        圖6 改進后支撐筋截面形狀

        2)將風(fēng)扇葉輪葉片根部圓角加大、葉片頂部變薄 (圖7);將風(fēng)扇葉輪與連接盤固定處移至風(fēng)扇葉輪中心,并增加風(fēng)扇葉輪與連接盤固定處的厚度 (圖2).

        圖7 改進后的風(fēng)扇葉輪

        3)增加套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等結(jié)構(gòu)件,集成風(fēng)扇靜子組成新的傳動裝置 (圖2).

        4)改變風(fēng)扇靜子支撐筋的角度,使支撐筋與葉片間保持平行,且支撐筋與葉片間距離盡可能放大 (圖1、圖2).

        2.4 結(jié)構(gòu)改進后的效果

        1)風(fēng)扇靜子支撐筋的截面形狀由原來的近似橢圓形改成類似機翼形,可改變卡門渦街形態(tài),減小卡門渦街的強度.

        2)將風(fēng)扇葉輪葉片根部圓角加大、葉片頂部變薄、風(fēng)扇葉輪與連接盤固定處移至風(fēng)扇葉輪中心、并增加風(fēng)扇葉輪與連接盤固定處的厚度,可減小葉片根部應(yīng)力水平[2-3],改善應(yīng)力分布;改變風(fēng)扇葉輪本身固有頻率,避開風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子的耦合轉(zhuǎn)速在風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),消除氣動力和卡門渦街的激勵而產(chǎn)生的共振.

        3)增加套軸、平鍵、軸承、潤滑油管等結(jié)構(gòu)件,集成風(fēng)扇靜子組成新的傳動裝置,完全改變了馬達花鍵軸的受力狀態(tài),馬達花鍵軸只傳遞扭矩;套軸通過平鍵與連接盤及風(fēng)扇葉輪連接,使高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉輪運行更加穩(wěn)定.風(fēng)扇葉輪除扭矩外的一切作用力通過連接盤、套軸、軸承經(jīng)風(fēng)扇靜子直接傳到車體,改善了風(fēng)扇葉輪的運動狀態(tài),同時也改善了冷卻風(fēng)扇的工作狀態(tài).

        4)改變風(fēng)扇靜子支撐筋的角度,使支撐筋與葉片間保持平行,且支撐筋與葉片間距離盡可能放大,盡量消除或減小卡門渦街對風(fēng)扇葉輪的影響,減小或避免了卡門渦街對風(fēng)扇葉輪的激勵.

        3 試驗驗證

        3.1 風(fēng)扇葉輪固有頻率試驗

        通過激振試驗,其平均固有頻率為466 Hz,比未改進的風(fēng)扇葉輪平均固有頻率提高63 Hz,風(fēng)扇葉輪與風(fēng)扇靜子的耦合轉(zhuǎn)速為5592 r/min,已避開風(fēng)扇葉輪工作轉(zhuǎn)速.

        3.2 冷卻風(fēng)扇臺架強化有限壽命考核試驗

        依據(jù)車輛使用壽命,進行了臺架強化有限壽命考核試驗,試驗結(jié)果見表1.

        表1 考核時間分配表

        強化試驗結(jié)果表明:總試驗時間達502.5 h后,冷卻風(fēng)扇工作正常.樣車使用狀況良好,滿足車輛可靠性要求.

        4 結(jié)論

        1)通過對冷卻風(fēng)扇的改進設(shè)計,掌握了該冷卻風(fēng)扇的設(shè)計方法,積累了經(jīng)驗,為同類產(chǎn)品的設(shè)計奠定了基礎(chǔ).

        2)各種試驗結(jié)果說明:改進后的冷卻風(fēng)扇,結(jié)構(gòu)合理,各部件之間匹配良好,滿足車輛設(shè)計要求、系統(tǒng)要求、可靠性要求及使用要求.

        [1]博世力士樂 (中國)有限公司,行走機械用液壓及電子控制元件樣本 [M].RC 64017,2008.

        [2]JIFENG Wang,QUBOLI,NORBERT MULLER.Me chanical And Optimization Analyses For Novel Wound Composite Axial Impeller[C].//2009 ASME International Mechanical Engineering Congress And Exposition,2009.

        [3]陶春虎,習(xí)年生,張衛(wèi)方.斷口反推疲勞應(yīng)力的新進展 [J].航空材料學(xué)報,2000,20(3):158-163.

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